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物联网基本解决方案__2015-01-02_ BlueS_嵌入式 Wi-Fi (物联网)基本解决方案(基于32位MCU)1
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1、引言-1-1.1 物联网的发展趋势(互联网的 自然 延伸) - 1 -1.1.1 物联网发展的基本规律 - 1 -1.1.2 物联网与云计算的结合 - 1
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嵌入式 Wi-Fi(物联网)
基本解决方案
(基于 32 位 MCU)
物联网--MCU 的春天!
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修改记录:
修改日期
版本号
作者
描述
2015-01-02
华师图书馆
V1.0
♪ BlueS
内容主要来源:
01)工作期间(4 年)的工作体会
02)研究生期间:学习、个人想法
03)网络收集、整理
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嵌入式 Wi-Fi(物联网)基本解决方案
(基于 32 位 MCU)
I
目 录
目 录 .............................................................................................................................................................................. I
1、引言 .................................................................................................................................................................. - 1 -
1.1 物联网的发展趋势(互联网的 自然 延伸) ................................................................................................... - 1 -
1.1.1 物联网发展的基本规律 .............................................................................................................................. - 1 -
1.1.2 物联网与云计算的结合 .............................................................................................................................. - 1 -
1.2 嵌入式 WI-FI 的发展 ............................................................................................................................................ - 1 -
1.2.1 嵌入式 Wi-Fi 应具备哪些功能 .................................................................................................................. - 2 -
1.2.2 嵌入式 Wi-Fi 与普通 Wi-Fi 的比较.............................................................................................................. - 2 -
1.2.3 无线通信技术的比较(ZigBee、蓝牙、Wi-Fi) ....................................................................................... - 2 -
1.3 物联网--- 32 位 MCU(微控制器)的春天(机遇) ........................................................................................ - 3 -
1.3.1 低端 8、16 位 MCU 与 32 位 MCU 的比较 .............................................................................................. - 3 -
1.3.2 高性能 MPU 与 32 位 MCU 的比较 ......................................................................................................... - 3 -
2、嵌入式 WI-FI(物联网)系统总体方案 ........................................................................................................... - 4 -
2.1 物联网系统基本组成部分(模块) ................................................................................................................... - 4 -
2.2 物联网系统案例分析(以本人硕士毕业设计为例) ....................................................................................... - 5 -
3、嵌入式 WI-FI 具体的基本解决方案(★★★) ..................................................................................................... - 5 -
3.1 嵌入式 WI-FI 芯片的几种解决方案分析 ............................................................................................................. - 5 -
3.1.1 单芯片 SoC 解决方案:MCU 和 Wi-Fi IP 核 集成到单个芯片 ................................................................. - 5 -
3.1.2 双芯片分离式:MCU 通过 SPI 或 SDIO 外接 Wi-Fi 处理芯片 ................................................................. - 6 -
3.1.3 采用第三方提供的 嵌入式 Wi-Fi 解决方案 .............................................................................................. - 6 -
3.2 微控制器 MCU 的几种选择(采用双芯片分离式时) .................................................................................... - 7 -
3.2.1 ST 公司提供 STM32 系列微控制器(32 位 MCU) ................................................................................... - 7 -
3.2.2 TI 公司提供 Tiva 系列微控制器(32 位 MCU) ........................................................................................ - 7 -
3.2.3 Atmel 公司提供 Sam 系列微控制器(32 位 MCU) ................................................................................. - 7 -
3.3 嵌入式实时操作系统的几种选择 ....................................................................................................................... - 7 -
3.3.1 FreeRTOS ...................................................................................................................................................... - 7 -
3.3.2 uCOS II / III .................................................................................................................................................... - 7 -
3.3.3 半导体公司提供的自家的 RTOS ............................................................................................................... - 7 -
3.4 嵌入式 TCP/IP 协议栈(状态机实现)的几种选择 ......................................................................................... - 8 -
3.4.1 LwIP(博通的 BCM943362 采用 LwIP TCP/IP 协议栈) ............................................................................ - 8 -
3.4.2 uIP(联发科 MTK 的 MT7681 采用 uIP TCP/IP 协议栈) ......................................................................... - 8 -
3.4.3 uC/TCP-IP ...................................................................................................................................................... - 8 -
3.4.4 半导体公司提供的 TCP/IP 协议栈 ............................................................................................................ - 8 -
3.4.5 全硬件 TCP/IP 协议栈 (WIZnet 公司的 W5500 芯片) ............................................................................. - 8 -
3.5 开发环境的几种选择(以 ARM 内核的 MCU 为例) ....................................................................................... - 9 -
3.5.1 开源的开发环境(在 Eclipse 下,搭建自己的环境)(替换 IAR) ............................................................ - 9 -
3.5.2 第三方开发的集成开发环境(例 IAR、Keil MDK) ................................................................................ - 9 -
3.5.3 半导体公司提供的开发环境 ..................................................................................................................... - 9 -
3.6 微控制器(MCU)与 WI-FI 芯片的几种通信方式 ............................................................................................ - 9 -
3.7 环保、低功耗的几种实现方式 ......................................................................................................................... - 10 -
3.7.1 硬件上实现低功耗 .................................................................................................................................... - 10 -
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嵌入式 Wi-Fi(物联网)基本解决方案
(基于 32 位 MCU)
II
3.7.2 软件上实现低功耗 .................................................................................................................................... - 10 -
3.8 嵌入式 WI-FI 模块的相关测试(功耗测试) ................................................................................................... - 10 -
4、最终方案的确定(全部开源 ALL OPEN) (★★★★★) ........................................................................................ - 11 -
4.1 开发环境、调试工具、调试接口 的确定 ....................................................................................................... - 11 -
4.2 硬件模块的确定:MCU、WI-FI 芯片 ............................................................................................................... - 11 -
4.3 软件模块的确定:RTOS、TCP/IP、文件系统 ................................................................................................. - 11 -
4.4 最终方案的确定:2 种具体解决方案(开源、免费)(★★★) ..................................................................... - 12 -
4.4.1 单芯片 SoC、Wi-Fi、物联网解决方案(采用 TI 公司) ........................................................................ - 12 -
4.4.2 双芯片 Wi-Fi、物联网解决方案(采用 ST 公司+博通公司 组合) ...................................................... - 12 -
5、WI-FI CONNECTIVITY 连接的几种解决方案(★★★★) ..................................................................................... - 12 -
5.1 方案 01: 通过 PC 机专门软件,通过 UART 进行配置。 ............................................................................. - 12 -
5.2 方案 02:通过 NFC 无线模块进行配置(但一般不使用此方案) ............................................................... - 12 -
5.3 方案 03:软 AP(SOFTAP)+手机 APP (目前流行的 “一键配置”) .................................................................. - 12 -
5.4 方案 04:直接操作 WI-FI PHY 层 +手机 APP(更好的一键配置) ..................................................................... - 13 -
5.5 方案 05:WPS 现在改名为 WSC(可再细分为两种方法) ........................................................................... - 13 -
5.6 方案 06:SOFTAP + 嵌入式 WEB 服务器+手机浏览器 (不需要 APP) .............................................................. - 14 -
5.7 方案 07:方案 6 的扩展方案 (不需要手机 APP、更好体验) (★★★) ......................................................... - 14 -
5.8 方案 08:利用 WI-FI DIRECT、MDNS(BONJOUR)、UPNP、(有待学习) ..................................................... - 14 -
6、联网的嵌入式设备,需要重点解决的几个问题 ............................................................................................ - 15 -
6.1 问题 01:构建“完整”生态系统(待续) ........................................................................................................ - 15 -
6.2 问题 02:如何更充分地利用现有“用户的”资源(待续)............................................................................. - 15 -
6.3 问题 03:如何更充分地利用现有“云服务”资源(待续)............................................................................. - 15 -
6.4 问题 04:如何拥有更“自然” 的用户体验(待续) ....................................................................................... - 15 -
6.5 问题 05:两大重要战场(关口):路由器、浏览器(待续) .................................................................... - 15 -
6.6 问题 06:通信协议:嵌入式设备、云服务器、用户终端(待续) ............................................................ - 15 -
6.7 问题 07:如何将高平台(例 LINUX)实现的功能或驱动,移植到 32 位的低平台 MCU 上 ....................... - 16 -
7、嵌入式云服务器(WEB 服务器)的设计与实现(物联网系统的搭建)(待续) ........................................ - 16 -
7.1 云服务器的整体结构 ........................................................................................................................................ - 16 -
7.2 云服务器基本实现方案 .................................................................................................................................... - 17 -
7.3 使用第三方提供的云服务平台(待续) ......................................................................................................... - 17 -
7.4 建立自己的云平台服务(待续) ..................................................................................................................... - 17 -
8、用户交互方式:智能终端(手机/平板)、微信 ............................................................................................ - 18 -
8.1 基于智能手机 APP 的交互方式(ANDROID 版和 IOS 版) ............................................................................. - 18 -
8.2 基于微信公众平台的交互方式(利用第三方平台) ..................................................................................... - 18 -
8.3 基于 WEB 应用程序的交互方式(更通用,支持不同手机系统) ................................................................ - 18 -
9、嵌入式 WI-FI 的实际应用(具体案例)....................................................................................................... - 19 -
9.1 在广域网(互联网)中的具体应用(以智能家居为例) ............................................................................. - 19 -
9.1.1 案例 01:百度云摄像头(在无线安防的应用) .................................................................................... - 19 -
9.1.2 案例 02:Wi-Fi 智能插座 ......................................................................................................................... - 19 -
9.1.3 案例 03:基于广域网的音乐播放器(Air Play) ................................................................................... - 19 -
9.2 在局域网中的具体应用 .................................................................................................................................... - 19 -
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嵌入式 Wi-Fi(物联网)基本解决方案
(基于 32 位 MCU)
III
9.2.1 Wi-Fi Direct(Wi-Fi 直连)的应用 ............................................................................................................ - 19 -
9.2.2 Wi-Fi Beacon 技术的应用 (数据收集 + 大数据分析) ......................................................................... - 20 -
9.3 基他的具体应用……(待续) .......................................................................................................................... - 20 -
10、其他类型:无线通讯解决方案(待续) ..................................................................................................... - 21 -
10.1 蓝牙 BLUETOOTH(基于 IEEE802.15.1 低功耗局域网协议)(待续) ................................................................ - 21 -
10.2 ZIGBEE(IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议)(待续) ....................................................................... - 21 -
10.3 低于 1GHZ 的无线通信:SUB 1G + 6LOWPAN(IPV6)(待续) ......................................................................... - 21 -
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